452 m/s n° 5, vol. 29, mai 2013 DOI : 10.1051/medsci/2013295003
du statut énergétique de l’organisme
[13]. Ces signaux activent des voies
de signalisation intracellulaires com-munes, et notamment la voie Erk1/2 (extracellular signal-regulated kinase 1/2), proposée comme un intégrateur moléculaire des signaux métaboliques dans le cmNTS [13, 16, 18].‡
Role of the nucleus of the solitary tract in the detection and integration of multiple metabolic signals
LIENS D’INTÉRÊT
L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concer-nant les données publiées dans cet article. RÉFÉRENCES
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NOUVELLE
Vers un ribosome artificiel
Une molécule pour fabriquer
des molécules
Guillaume De Bo, David A. Leigh
Définition des machines moléculaires
Les machines moléculaires sont des entités chimiques capables de transfor-mer une énergie chimique en un travail utile. Les chimistes s’intéressent depuis plusieurs années à la conception et à l’étude des machines moléculaires artificielles [1]. Ils sont parvenus, par exemple, à créer un système capable de modifier la courbure d’une surface selon le principe de la contraction musculaire
[2], à propulser et contrôler le déplace-ment d’un véhicule moléculaire sur une surface [3], ou encore à induire le
dépla-cement d’objets macroscopiques [4].
La plupart des machines moléculaires existantes à ce jour ont été inspirées
par celles que l’on trouve dans la cel-lule. De fait, chaque cellule vivante est constituée d’une myriade de machines moléculaires effectuant les tâches les plus diverses. Par exemple, les protéines moteurs, telles que les dynéines et les kinésines, utilisent l’énergie contenue dans l’adénosine triphosphate (ATP) pour effectuer le transport de vésicules en « marchant » le long des microtu-bules ; les moteurs moléculaires uti-lisent l’énergie d’un gradient de protons pour assurer le battement des flagelles ou la synthèse d’ATP ; enfin, les héli-cases et les topoisomérases agissent sur l’ADN, pour, respectivement, en séparer les brins et en modifier la topologie [5].
Parmi toutes ces machines, la plus spec-taculaire reste sans doute le ribosome.
Conception et caractéristiques d’un ribosome artificiel
Le ribosome, que l’on trouve dans chaque cellule vivante, est un énorme complexe ribonucléoprotéique qui assure la synthèse des protéines au départ de l’information contenue dans l’ARN messager [6]. Lorsque le ribosome entre en action, les deux sous-unités qui le composent viennent s’amarrer l’une à l’autre en enserrant la chaîne d’ARN en leur sein, tel un poing serrant une corde. Une fois fixé, le ribosome coulisse le long de l’ARN pour assembler les acides
University of Manchester,
school of chemistry, Oxford road, M13 9PL, Manchester, Royaume Uni.
guillaume.debo@manchester.ac.uk
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NOUVELLES
MAGAZINE
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macrocycle, son caractère processif. En effet, il sera libre de se déplacer le long de l’axe pour atteindre les différents acides aminés sans s’en détacher. Le stoppeur placé à une extrémité de l’axe force le macrocycle à se déplacer dans la direction opposée. Enfin, la rigidité de l’axe empêche le catalyseur de se retrouver à proximité d’un acide aminé situé plus en aval.
Mécanisme d’opération de la machine moléculaire
Le mécanisme d’opération de la machine est illustré dans la Figure 2. La première étape consiste en l’assemblage de la machine moléculaire : le macrocycle est enfilé le long de l’axe dans un processus appelé active metal template au cours duquel un atome de cuivre, complexé par le macrocycle, catalyse la formation d’une liaison entre le stoppeur et le reste de l’axe (Figure 2A-C)[9].
(jusqu’à 20 par seconde) ; il effectue la synthèse de manière séquentielle et avec une grande fidélité ; et, enfin, il lit l’information contenue dans l’ARN de manière non destructive. Ce sont ces caractéristiques qui nous ont gui-dés lors de la conception de la pre-mière machine moléculaire artificielle capable d’effectuer la synthèse d’un oligopeptide de manière séquentielle
(Figure 1) [7]. Notre machine possède une architecture de type rotaxane. Les rotaxanes (contraction de rotation et axe) sont des molécules composées d’un macrocycle (l’anneau) enfilé sur
un axe moléculaire [8]. Le
macro-cycle est libre de se déplacer le long de l’axe mais ne peut s’en échapper sans la rupture d’un lien covalent (ce type particulier de liaison chimique est appelé lien topologique ou mécanique). C’est la particularité du lien mécanique qui donne au catalyseur, attaché au aminés un par un, selon la séquence
définie par l’ARN messager, pour for-mer une nouvelle protéine. En effet, les acides aminés sont apportés par l’ARN de transfert : celui-ci expose une triade de nucléotides (codon) complémentaire au codon sur lequel le ribosome sta-tionne, et est reconnu par le ribosome. Ce dernier se déplace de codon en codon jusqu’à la fin de la séquence en utilisant l’ATP comme source d’énergie.
La conception d’une machine molé-culaire artificielle mimant la fonction d’un ribosome doit s’appuyer sur les propriétés fondamentales de celui-ci, vu sous l’angle d’une machine molécu-laire : le ribosome se déplace le long de l’ARN de manière directionnelle ; il effectue la synthèse avec une pro-cessivité élevée (il peut assembler un grand nombre d’acides aminés avant de se détacher de l’ARN) ; il assemble les acides aminés avec une vitesse élevée
O H O O O O O O O O O O O O O O O O O O O N N N N N N N N N N N H N H N H N H N H H N H N H N H N NH2 NH2 NH2 HS NH HN Unité catalytique
Obstacles stériques (acides aminés) : synthèse séquentielle Stoppeur : synthèse directionnelle Architecture rotaxane : processivité Axe rigide : fidélité de séquence A C B N
Figure 1. Conception d’une machine moléculaire mimant la fonction d’un ribosome. A. Représentation générale de la machine moléculaire. B. Modèle
tridimensionnel de la machine moléculaire. C. Structure moléculaire de la machine.
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LIENS D’INTÉRÊT
Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt avec les données publiées dans cet article. RÉFÉRENCES
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définie par la position des acides aminés sur l’axe (Figure 2I). Selon ce principe, il nous a été possible de faire agir 1018 machines de concert pendant 36 heures à 60 °C, qui ont produit l’hexapeptide désiré à l’échelle de plusieurs milligrammes. La séquence du produit (cystéine-glycine-glycine-phénylalanine-leucine-alanine) a été confirmée par spectrométrie de masse.
Conclusion
Nous avons décrit la première machine moléculaire artificielle capable d’effec-tuer un processus synthétique de manière autonome et séquentielle. À l’instar du ribosome, notre système agit de manière directionnelle, processive, séquentielle et avec une grande fidélité. Ce système de première génération souffre cependant de quelques limitations : l’information contenue dans l’axe est détruite lors de la « lecture » et la vitesse de réaction est faible (en moyenne 12 heures par lien peptidique). Malgré ses limitations, ce système constitue une étape importante dans le développement des machines moléculaires.‡
A molecular machine mimicking the ribosome: a molecule that makes molecules
Ensuite, l’unité catalytique (un tripeptide : cystéine-glycine-glycine) est ajoutée au macrocycle (Figure 2D), ce qui rend la machine opérationnelle. Le macrocycle, animé par le mouvement brownien, se déplace le long de l’axe dans un mou-vement de va-et-vient jusqu’à ce qu’il rencontre un obstacle, en l’occurrence le premier acide aminé de la séquence (ici la phénylalanine). L’unité catalytique (groupement thiol [-SH] de la cystéine) détache alors l’acide aminé de l’axe pour le placer à la suite de la chaîne en
crois-sance (groupement aminé [-NH2] de la
dernière glycine) en créant un nouveau lien peptidique (Figure 2E, F)[10]. Cette der-nière étape libère le site catalytique pour une nouvelle action. L’obstacle ainsi éli-miné permet à l’anneau de continuer son chemin jusqu’à ce qu’il soit à nouveau blo-qué par le second acide aminé (la leucine). Selon le même procédé, l’unité cataly-tique transfère l’acide aminé vers le site d’élongation qui est maintenant le grou-pement aminé terminal de la phénylala-nine (Figure 2G, H). Le processus est répété jusqu’à ce que le macrocycle atteigne le bout de l’axe en ayant enlevé et assemblé tous les acides aminés en un peptide de séquence contrôlée, la séquence étant
Figure 2. Mécanisme d’opération de la
machine moléculaire. A. Présentation
de l’anneau moléculaire, de l’axe portant les acide aminés (phényla-lanine en vert, leucine en rose et ala-nine en rouge), du stoppeur et d’un
atome de cuivre. B, C. Formation du
rotaxane par active metal template.
D. L’unité catalytique est fixée au
macrocycle. E, F. L’assemblage
molé-culaire démarre : le bras enlève le premier acide aminé de l’axe et le transfère sur le site d’élongation du
macrocycle. G, H. L’anneau est libre
de se déplacer jusqu’au second acide aminé, la leucine, qui est, à son tour, détachée de l’axe et connectée à la phénylalanine. I. Le processus conti-nue jusqu’à ce que tous les acides aminés aient été retirés de l’axe par la machine moléculaire. À ce stade, la synthèse est terminée et l’anneau peut se désenfiler de l’axe emportant avec lui le peptide nouvellement formé. Les images sont tirées d’une vidéo disponible à l’adresse suivante : http://www.catenane.net/pages/2013pep_synth_video.html. A B C D E F G H I Nouvelles_Mai2013.indd 454 Nouvelles_Mai2013.indd 454 14/05/2013 09:28:2414/05/2013 09:28:24
